DE2307298C3

DE2307298C3 - Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette

Info

Publication number: DE2307298C3
Application number: DE2307298A
Authority: DE
Inventors: Anthony C. Darien Gilby; James Alan Trumbull Horton
Original assignee: Wilks Scientific Corp South Norwalk Conn (vsta)
Current assignee: Wilks Scientific Corp South Norwalk Conn (vsta)
Priority date: 1972-02-14
Filing date: 1973-02-14
Publication date: 1975-03-13
Also published as: US3726598A; FR2172091B1; JPS4890283A; FR2172091A1; DE2307298A1; GB1358461A; DE2307298B2; JPS5228672B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette, welche zwei benachbarte sphärische Objektivspiegel an einem Ende, einen sphärischen Feldspiegel am anderen Ende sowie Strahlungseintritts- und -austrittsfenster auf derselben Seite des Feldspiegels enthält.

Derartige Küvetten werden als Zusatz zu einem Spektrometer oder als einheitlicher Bestandteil eines solchen zur Messung der Absorptionsspektren von in kleinen Konzentrationen in der Gas- oder Dampfphase vorliegenden Komponenten einer Probenmischung, wie beispielsweise zur Messung und Überwachung von Luftverschmutzungen, verwendet.

Die Konstruktion der üblichen Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette wurde von John U. White im Artikel »Long Optical Paths of Large Aperture«, S. 285, Band 32 von Journal of the Optical Society of America im Mai 1942 beschrieben.

Das Grundprinzip beruhte auf der Verwendung von drei Spiegeln. Ein Paar sphärischer Objektivspiegel ist an einem Ende der Küvette, ein einzelner sphärischer Feldspiegel an dem anderen Ende befestigt. Alle Spiegel haben den gleichen Krümmungsradius, wobei der Abstand des Feldspiegels von dem Objektivspiegel ungefähr gleich dem Krümmungsradius gewählt ist. Der Eingangsspiegel ist an einer Seite des Feldspiegels und das Ausgangsfenster an der anderen Seite des Feldspiegels angebracht. Die Objektivspiegel sind relativ zueinander drehbar. Die gesamte Weglänge wird durch den Abstand zwischen ihren Krümmungsmittelpunkten bestimmt. Die auf dem Feldspiegel gebildeten Zwischenbilder sind längs einer einzelnen horizontalen Linie angeordnet. Der Feldspiegel stellt sicher, daß die gesamte Energie des den ersten Objektivspiegel verlassenden Strahls auf den zweiten Objektivspiegel zurückkehrt und umgekehrt, auch für erhebliche Größen des Eingangsbildes. Die Whitesche Konstruktion erlaubte es, ein Strahlenbündel mit großer öffnung vielfach in einer relativ kurzen Küvette zu reflektieren, wobei der hauptsächliche Energieverlust auf die Reflexionsverluste der Spiegeloberflächen zurückzuführen ist.

Ein Artikel von T. H. Edwards mit dem Titel »Muliple-Traverse Absorption Cell Design«, der im Januar 1961 in Band 51, Nr. 1, von Journal of the Optical Society of America, S. 98, veröffentlicht wurde, beschreibt eine Variante der ursprünglichen Whiteschen Konstruktion, in der Eingangs- und Ausgangsfenster oberhalb einer Linie angeordnet sind, weiche durch die Krümmungsmittelpunkte der Objektivspiegel hindurchgeht. Mittels dieser Anordnung werden zwei Reihen von Zwischenbildern auf dem

Feldspiegel gebildet. Wie von White und Edwards betont wurde, ist bei dieser Anordnung ah hauptsächliche Aberration ein Astigmatismus zu er-„parten, der auf die wesentlich außeraxialen Lagen der Eingangs- und Austrittsbilder zurückzuführen ist. Edwards beschreibt die könstruktionsbedingten Parameter, welche zu dem Astigmatismus beitragen, und schlägt vor, den Feldspiegel zu verkleinern, um den Abstand zwischen den Eingangs- und Ausgangsfenstern zu vermindern.

Des weiteren ist ein Artikel von H. M. P i c k e 11, G-M- Bradley und H.L.Strauss mit dem Titel »Ä New White Type Multiple Pass Absorption Cell« auf S. 2397, Band 9, Nr. 10, in Applied Optics im Oktober 1970 erschienen, in dem eine weitere Variante des ursprünglichen Whiteschen Systems beschrieben ist Hierbei sind die Eingangs- und Ausganfsbilder an einer Kante des Feldspiegels einander überlagert. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, daß die minimale erhältliche Weglänge gleich der doppelten tatsächlichen Küvtttenlänge ist. Bei den oben beschriebenen Anordnungen betrug dagegen die minimale Weglänge ein Vierfaches der tatsächlichen Küvettenlänge.

Bei allen vorgenannten Anordnungen sind die Obiektivspiegel relativ zueinander drehbar, wobei der Abstand zwischen ihren Krümmungsmittelpunkten auf der Feldlinse die Zahl der Durchgänge bestimmt. Eine derartige Anordnung enthält jedoch eine Reihe von Nachteilen. So ist es beispielsweise allgemein bekannt, daß bei derartigen Küvetten Schwierigkeiten hinsichtlich der Stabilität und der Justierung bestehen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bereits eine leichte Dejustierung der Objektivspiegel kumulativ wirkt und mit der Anzahl der Reflexionen anwächst. Bei den Küvetten gemäß dem Stand der Technik ist, wie bereits oben erwähnt wurde, der Astigmatismus die wichtigste Aberration. Dies ist auf die wesentlich außeraxialen Lagen der Eintritts- und Austrittsbilder zurückzuführen, was bewirkt, daß selbst für kleine Weglängen im wesentlichen die gesamte Breite des Feldspiegels verwendet wird.

Bei den Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik besteht darüber hinaus keine lineare Beziehung zwischen der Drehung der justierbaren Objektivspiegel und der Gesamtlänge. Hierdurch ergeben sich Schwierigkeiten bei der Einstellung der Küvette auf die jeweils erwünschte Weglänge.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich ihrer Einstellbarkeit einfache optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette in Vorschlag zu bringen, bei der mögliche, kumulativ wirkende Dejustierungen der Objektivspiegel im wesentlichen vermieden sind. Diese Aufgabe wurde bei einer optischen Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette der eingangs beschriebenen Art durch eine gemeinsame Fassung gelöst, welche beide Objektivspiegel so halten, daß ihre Kfümmungsmittelpunkte um einen vorgewählten Abstand auseinanderfallen, und durch eine Einrichtung zur Drehung der Fassung, um die Kri-mmungsmittelpunkte relativ zum Feldspiegel zwecks Veränderung tier optischen Weglänge der Küvette zu bewegen.

Ein mit der Erfindung erreichter Vorteil beruht darin, daß der Astigmatismus minimal gehalten wird, indem lediglich eine derartige Breite des Feldspiegels verwendet wird, wie sie zur Erhaltung der erwünschten Weglänge erforderlich ist.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß eine lineare Beziehung zwischen einer Drehung der Objektivspiegel und der Weglänge in der Küvette besteht, da hierdurch die Einstellung der Küvette auf die er-& wünschte Weglänge vereint acht wird.

Die Zeichnung dient der weiteren Erläuterung der Erfindung. Darin zeigt

t· i g. 1 eine Querschnittsaufsicht von einer Gas-Absorptionsküvette, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist

F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht von einem Teil der Objektivspiegel und der Fassung derselben längs der Linie 2-2 von F j g. 1,

Fig.3 eine Endaufsicht auf die Objektivspiegel »5 von F i g. 2 längs der Linie 3-3 von F i g. 2 und

F i g. 4 bis 6 erläuternde Darstellungen der an dem Feldspiegel erzeugten Bilder für verschiedene Drehstellungen der Objektivspiegel.

In F i g. 1 ist eine erfindungsgemäße Küvette darao gestellt, welche ein längliches Gehäuse 10 aufweist. Im Inneren dieses Gehäuses ist an einem Ende ein konkaver sphärischer Feldspiegel 12 befestigt. Vertikal ausgerichtete öffnungen benachbart zu einer Kante des Felcspiegels enthalten Linsen, welche ein *5 aus K i g. 1 nicht ersichtliches Strahlungs-Eintrittsfenster 14 und ein Strahlungsaustrittsfenster 16 festlegen.

Das gegenüberliegende Ende des Gehäuses begrenzt eine öffnung 18. Die öffnung 18 ist mit einer Platte 20 verschlossen, die einen Flansch trägt und durch Schraubin 22 gehaltert wird. Auf gegenüberliegenden Rändern der Platte 20 ist ein Paar von L-förmigen Befestigungsklammem 24, 26 (F i g. 2 und 3) angebracht. Die Befestigungsklammern 24, 26 sind gleichartig ausgebildet. Sie enthalten im Abstand voneinander angeordnete parallele Arme 28, von denen jeder auf seiner Innenfläche eine Ausnehmung 30 in Form eines Kreisabschnittes bildet. In jeder Ausnehmung ist eine Scheibe 32 befestigt, die durch eine Schraube 34 gesichert ist. Ein Teil von jeder Scheibe steht aus seiner Ausnehmung hervor und begrenzt ein radial verlaufendes Justierloch 36. Auf der inneren Oberfläche von jeder Scheibe ist eine kleine Einsenkung 38 zur Aufnahme einer Kugella-♦5 gerung 40 gebildet.

Zwischen den Klammern 24, 26 ist eine Fassung 42 für die Objektivspiegel befestigt, welche abstehende Ansätze 44, 46 aufweist. Die Außenfläche von jedem Ansatz begrenzt eine Einsenkung 48, die je-So weils eine entsprechende Kugellagerung 40 aufnimmt. Über die Vorderfläche der Fassung 42 verläuft ein ausgefräster Schlitz 50, der die Fassung ein wenig schwächt, um eine begrenzte Schwenkwirkung zwischen den beiden Teilen der Fassung zu ermöglichen. An einem Ende der Spiegelfassung ist auf ihrer Rückfläche ein Ende von einer gewinkelten Justierstange 52 befestigt. Das andere Ende der Justierstange ist, wie in F i g. 1 gezeigt, in einem Abstand von der Rückfläche der Fassung 42 gehalten, wobei es eine Justierschraube 54 trägt. Ein Ende einer Blattfeder 56 ist an der Justierstange 52 befestigt, während sich ihr anderes Ende an der Platte abstützt.

Man erkennt, daß die Fassung 42 zwischen den Kugellagerungen 40 verschwenkt werden kann. Wie aus F i g. 1 hervorgeht, zeigt die Blattfeder 56 das Bestreben, die Fassung entgegen dem Uhrzeigersinne in Richtung auf eine Justierschraube 58 für die Weg-

länge zu drehen. Eine durch einen geeigneten Stopfen 62 verschlossene öffnung 60 ermöglicht einen Zugang zu der Justierschraube 54. An der Vorderfläche der Fassung 42 sind sphärische Objektivspiegel 64 und 66 gehaltert.

Der Feldspiegel 12 und die Objektivspiegel 64 und 66 sind, wie bereits erwähnt, sphärische Spiegel, die alle im wesentlichen den gleichen Krümmungsradius aufweisen. Darüber hinaus sind der Feldspiegel und führt, daß der Astigmatismus minimale Werte einnimmt Diese eng beisammenliegende Anordnung bleibt bei jeder weiteren Justierung erhalten, wobei jeweils nur die minimal benötigte Breite des FeIdspiegeis 12 verwendet wird. Fig.6 zeigt beispielsweise einen Fall, bei dem die Justierschraube für die . Weglänge weiter verstellt ist. In diesem Falle werden insgesamt 20 Bilder auf dem Feldspiegel 12 gebildet, und das Ausgangsbild erhält die Nummer »22«. In

die" Öbjektivspiegel im Abstand eines derartigen Ra- io diesem Falle beträgt die Weglänge ein 44faches der dius voneinander angeordnet. In Fig. 1 ist der Küvettenlänge, wobei festzustellen ist, daß die enge Krümmungsmittelpunkt des Feldspiegels 12 mit dem Anordnung der Bilder beibehalten ist.
Bezugszeichen 12 c gekennzeichnet. Er befindet sich Die durch die Kugellagerungen 40 bestimmte

an der Verbindungsstelle der Objektivspiegel. Der Drehachse der Öbjektivspiegel ist nicht auf die Ob-Krümmungsmittelpunkt 64 c des Objektivspiegels 64 15 jektivspiegel zentriert. Wenn sie so zentriert wäre, und der Krümmungsmittelpunkt 66 c des Objektiv würde das Bild »3« bei der großen Anzahl von spiegeis 66 liegen auf der Oberfläche des Feldspie- Durchgängen auf die Eintrittsöffnung fallen, was zu gels 12 in einem vorgewählten Abstand voneinander. einem Energieverlust führen würde. Dies hängt mit Es ist auch ersichtlich, daß die Einstellung der Ju- der Entstehung von Aberrationen in der Küvette zustierschraube 58 für die Weglänge eine Verschwen- ao sammen. wenn mehrere Bilder auf den Feldspiegel kung der Objektivspiegel um ihre gemeinsame Fas- gepackt werden. Indem man die Drehachse exzen- - -- ■ · · .-.·.« ->— frisch anbringt, wird eine kompensierende Verschiebung der Bildlagen derart erzeugt, daß die Bilder nicht quer über den Feldspiegel in einem bemerkenswerten Ausmaße laufen, wenn die Weglänge geändert wird. Die außeraxiale Verschiebung wurde empinsch festgesetzt. Bei einer Ausführungsform, in der der Abstand zwischen den Objektivspiegeln und dem Feldspiegel 375 mm und die Breite vom jedem Ob-

ordnung winTam besten aus den "Fig. 1 sowie 4 30 jeklivspiege! 80 mm beträgt, ergibt sich für die Vermit6 ersichtlich. Die F ig. 4 mit 6 zeigen die Ein- Schiebung ein Wert von 12 mm.

• ■ ■ ■ Durch die Anbringung der Kugellagerungen in den

Scheiben 32 kann man eine genaue Fokussierung der

_r ^ _ Bilder erhalten. Diese geschieht, indem man die

Drehung der Objektivspiegeferhalten werden. In die- 35 Schrauben 34 löst und einen Draht oder ein anderes sen Darstellungen sind die Krümmungsmittelpunkte Gerät in die Justierlöcher 36 einführt. Eine Drehung

- "v.r. j__ jjgj. ScJ₁₆JK_n 32 führt dann zu einer Vorwärts- oder

Rückwärtsverschiebung der Fassung 42 und der Objektivspiegel.

Fs ist auch möglich, kleine Justierungen des Winkels zwischen den Objektivspiegeln vorzunehmen. Dies wird dadurch erreicht, daß man ein Werkzeug durch die Öffnung 60 einführt, und die Justierschraube 54 dreht. Hierdurch wird eine Änderung in

sung hervorruft. Dies bewirkt, daß die Lagen der Krümmungsmittelpunkte 64 c und 66 < wahlweise längs der Oberfläche des FeldspiegeSs 12 verschoben werden können. Der Abstand zwischen den Krümmungsmitteipunkten bleibt jedoch fest, und zwar im Gegensatz zu den Anordnungen gemäß dem Stand der Technik.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen An-

IV4ILIIW1I. a>TBw » · ρ,. - - - - _fJ

tritts- und Austrittsbilder, von denen jedes benachbart zum Feldspiegel 12 liegt, sowie die Zwischenbilder, die auf dem Feldspiegel bei Änderungen der

64 c und 66 c der Objeklivspiegel um die Hälfte der Breite der Bildstrahlenbündel voneinander getrennt. In Fig.4 ist das Eintrittsbild »1« in einer Lage dargestellt, die es normalerweise neben der Kante des Feldspiegels 12 einnehmen würde. Der Krümmungsmittelpunkt 64 c des Objektivspiegels 64 liegt oberhalb des Eintrittsbildes, jedoch mit diesem fluchtend. Die Strahlung vom Eintrittsbild erfüllt den sphäri

schen Objektivspiegel 64 und wird zurückgeführt, 45 dem von der Fassung 42 an dem Schlitz 42 gebilde-

um das Austrittsbild »2« zu bilden. Diese Lage ent- *~ «κ-ι.-ι ι _r._ n:„ __-;_j_ _:.j—,—_:__u#

spricht der kürzest möglichen Weglänge, die das Doppelte der Küvettenlänge beträgt. Durch Weiterdrehen der Justierschraube 58 für die Weglänge können die Krümmungsmittelpunkte in Lagen verschoben werden, wie sie in F i g. 5 eingenommen werden. Hierbei liegt der Krümmungsmittelpunkt 64 c auf der Kante des Feldspiegels 12, während der krümmungsmittelpunkt 66 < um die halbe Bildbreite nach rechts verschoben ist. Das Eintrittsbild »1« wird von dem Objektivspiegel 64 aufgenommen, der ein zweites BiM »2« auf dem Feldspiegel bildet. Das Bild »2« wird von dem Öbjektivspiegel 66 zurückfokussiert, um ein Bild »3« zu bilden. Das Bild »3· wird seinerseits von dem Öbjektivspiegel 64 zurückfokussiert. am ein Austrittsbild »4« zu bilden. Bei dieser Anordnung beträgt die Weglänge das Sechsfache der Küvettenlänge.

Es ist wesentlich festzustellen, daß alle Bilder nahe beisammen an dem gleichen Rand des Feld-Spiegels 12 Hegen. Die Verschiebung der Bilder relativ zu den Achsen der Objcktivspicgcl wird daher an! einem minimalen Wert gehalten, w as auch dazu ten Winkel hervorgerufen. Dies würde jedoch nicht während des normalen Betriebes durchgeführt werden.

T)K mit der vorliegenden Erfindung erzielten Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Beide Objektivspicgel sind fest zusammcngeitalten. Hierdurch wird eine Dejustierung von einem Objektiv spiegel relativ zum anderen vermieden, welche zu Fehlern führen würde, die sich mit wachsender Weglänge vervielfältigen. Eine kleine gemeinsame Dejustierung des einen Objektivspicgelpaares wirkt dagegen nicht kumulativ.

2. Da beide Objcktivspiegel als Einheit zusammengehalten sind, ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen der JuMierschraubenttcilung und der Weglänge in der Küvette. Dies ist ein besonders wichtiger, praktischer Vorteil, da die Weglänge auf einem einfachen Zähler an der Justierschijube abgelesen werden kann.

Man erhält eine genau definierte Breite der Ausiri:Hoffnung für alle Weglängen und damit eine erfolgreiche llcrarsführung des Strahlenbündel··

auf einen Detektor. Eine kleine seitliche Aufapaltung des Bildes an dem Feldspiegel, die durch Astigmatismus hervorgerufen ist, führt •icht zu einem Energieverlust, da die Austrittsöffnung konstant bleibt.

4. Da lediglich die Breite des Feldspi det wird, welche man benötigt, stimmte Anzahl von Bildern darav werden die Aberrationen in den Ausgangsbild so klein wie möglich

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette, weiche zwei benachbarte sphärische Ob- jektivspiegel an einem Ende, einen sphärischen Feldspiegel am anderen Ende sowie Stahlungseintritts- und -austrittsfenster auf derselben Seite des Feldspiegels enthält, gekennzeichnet durch eine gemeinsame Fassung (42), welche beide Objektivspiegel (64, 66) so halten, daß ihre Krümmungsmittelpunkte (64 c, 66 c) um einen vorgewählten Abstand auseinanderfallen, und durch eine Einrichtung (58, 56) zur Drehung der Fassung (42), um die Krümmupgsmittelpunkte (64 c, 66 c) relativ zum Feldspiegel (12) zwecks Veränderung der optischen Weglänge der Küvette zu bewegen.

2. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- ■et, daß die Einrichtung (58, 56) verschoben zu dem Bereich, an dem die beiden Objektivspiegel (64, 66) aneinandergrenzen, ein Paar von miteinander fluchtenden Drehpunkten (40) enthält.

3. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptions- as küvette nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehpunkte exzentrisch in Scheiben (32) angeordnet sind, die nach Bedarf gedreht werden können.

4. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung eine Platte (42) enthält, welche im wesentlichen in dem Bereich, an dem die beiden Objektivspiegel (64, 66) aneinandercrenzen, einen scharnierartig wirkenden Bereich (50) aufweist.

5. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der scharnierartig wirkende Bereich von einem dünneren Teil (50) der Platte (42) gebildet ist

6. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des vorgewählten Abttands der Krümmungsmittelpunkte (64 a, 66 c) die Fassung eine Einrichtung (52, 54, 56) enthält, am justierbar den Winkel zu verändern, der von den beiderseitig des scharnierartig wirkenden Bereichs liegenden Teilen der Platte (42) eingeschlossen wird.

7. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur justierbaren Änderung des Winkels ein längliches Teil (52) enthält, dessen eines Ende fest an dem einen der gegeneinander verschwenkbaren Teile der Platte (42) angebracht ist und dessen anderen Ende im Abstand von dem anderen der gegeneinander verschwenkbaren Teile der Platte (42) angeordnet ist, wobei eine Justierschraube (54) mit einem Gewinde durch dieses andere Ende des länglichen Teiles (52) hindurchgreift und in Eingriff mit dem ihr gegenüberliegenden Teil der Platte (42) tritt.

8. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß die Einrichtung (58, 56) zur Drehung der Fassung eine Einrichtung (56) zum elastischen Andrücken der Fassung (42) in eine erste Drehrichtung enthält, sowie ein justierbares Arreiiergiied (58), welches diese Drehbewegung begrenzt

9. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorpüonsküvette nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einrichtung eine Feder

(56) ist

10. Optische Mehrfachdurchgangs-Absorptionsküvette nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretisreinrichtung eine Schraube (58) ist, die in dem Gehäuse (10) gelagert ist